【摘 要】
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青藏高原地区大气含氧量仅为平原地区的60%左右,营造适宜的室内氧环境是保障建藏、援藏外来人群生命健康、高效工作、安稳驻留的基本前提。弥散富氧是改善建筑室内氧环境的重要手段,并逐渐在高海拔地区宾馆、援藏干部周转房、员工宿舍、办公楼等民用建筑中得以广泛应用。然而,目前高海拔地区建筑供氧策略在实际应用中主要基于密闭空间或完全机械通风等理想条件下的简单推算,鲜少考虑建筑自然通风的实际情形下室内氧浓度的空间
【基金项目】
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国家自然科学基金区域创新发展联合基金“高原藏区零能耗宜居建筑设计理论与关键技术研究”(U20A20311); 国家自然科学基金青年科学基金项目“高海拔低温低氧环境对进藏人群适应性热舒适的影响机制研究”(52008329); 陕西省自然科学基础研究计划“高原睡眠人体低氧适应机理及氧环境设计参数研究”(2019JQ-392);
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青藏高原地区大气含氧量仅为平原地区的60%左右,营造适宜的室内氧环境是保障建藏、援藏外来人群生命健康、高效工作、安稳驻留的基本前提。弥散富氧是改善建筑室内氧环境的重要手段,并逐渐在高海拔地区宾馆、援藏干部周转房、员工宿舍、办公楼等民用建筑中得以广泛应用。然而,目前高海拔地区建筑供氧策略在实际应用中主要基于密闭空间或完全机械通风等理想条件下的简单推算,鲜少考虑建筑自然通风的实际情形下室内氧浓度的空间分布特征及其富氧效果,这为弥散供氧技术的发展与其推广应用带来严峻挑战。本研究针对高海拔地区自然通风下弥散富氧房间氧浓度分布的非均匀现象,以室内不同位置氧浓度与室内氧浓度均值的比值作为表征房间富氧非均匀性的特征参数,通过CFD数值模拟结合实验测试验证,开展了自然通风下的氧扩散及氧分布特征研究。首先,根据高海拔地区气象条件设置合理的自然通风水平,并根据富氧室内外氧平衡原理明确自然通风条件下影响氧浓度空间分布的因素;其次,运用响应曲面法分析自然通风对富氧房间氧气扩散及浓度分布的定量影响,揭示高海拔地区建筑室内氧气扩散及分布规律,并通过实验验证模拟模型对氧浓度分布预测的准确性。进而,根据得到的氧浓度分布定量结果结合围护结构密闭性、室内供氧需求及室内人员分布等综合因素,提出科学合理的供氧、通风调节模式及考虑氧分布后的氧负荷计算方法及高海拔地区弥散供氧策略。本研究的主要结果如下:(1)无论热压主导还是风压主导,当房间体形指标F1/2/H(F为房间底面积,H为房间高度)为1.65时,房间中心位置氧气扩散最慢;风压主导的自然通风较热压主导的自然通风更易引起室内氧气扩散速率和氧气浓度分布的空间不均匀,有效进深x/L越小,与通风风口距离越远,则氧气扩散速率越慢。(2)弥散富氧房间内,风压主导自然通风下测点位置氧浓度与氧浓度均值的比值k在0.8-1.3之间,而热压主导自然通风下k值在0.9-1.1之间,即风压主导下氧浓度分布较热压主导下氧浓度分布明显更不均匀且不稳定;风压主导自然通风条件下,自然通风对氧出口装置的氧源射流方向氧气浓度影响较小。表现为氧浓度的非均匀分布在顶面中心供氧模式下为深度方向和宽度方向,而在侧面中心供氧模式和窗口对面中心供氧模式下则为高度方向。(3)风压主导自然通风条件下,当入口风速保持较低此时氧浓度均值在0.250-0.270之间,且室内人员集中分布,处于x/L和y/Y均在0.4-0.6之间,建议采用顶面中心供氧模式。当风速保持较高此时氧浓度均值小于0.230,或者室内人员处于躺卧姿势时,建议采用侧面中心供氧模式;在热压主导的自然通风条件下,当室内外温差较大,氧均值介于0.210-0.225之间时,建议采用窗口对面中心供氧模式;当氧浓度均值大于0.240时,建议采用侧面中心供氧模式。(4)本文基于室内氧平衡方程,结合本研究所得结果对考虑室内氧浓度非均匀分布的氧负荷计算进行了分析,并与不考虑室内氧浓度非均匀分布得到的氧负荷计算进行对比,证明供氧时需考虑氧浓度非均匀分布以便更准确地向室内人员所处区域供氧,为之后的氧负荷计算研究提供基础。本研究根据气象条件,明确建筑在实际情形下合理的自然通风水平或自然通风强度;综合室外气象因素、建筑因素等剖析高海拔地区建筑氧迁移路径,揭示了建筑氧负荷形成机理;形成不同室外条件、不同供氧模式、不同氧源位置及不同房间形状下氧浓度定量分布结果,为建筑环境氧负荷计算提供基础;最终结合实际气象条件、房间类型等因素,针对典型室内人员分布情景,提出高原建筑室内氧环境调节策略,为自然通风条件下的建筑供氧提供更加科学合理、高效节能的技术和策略,为改善高海拔地区弥散供氧效率、降低供氧系统能耗提供指导。
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